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Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrleiter-
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schichtstruktur für monolithische integrierte Halbleiterschaltkreise,
bei der metallische Leiter auf der Oberfläche eines isolierenden Oxids so angeordnet
sind, daß P-N-Übergänge gekreuzt werden, so daß ein Potential eines metallischen
Leiters das Durchschlagspotential des überganges ändern kann.
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Bei den Strukturen integrierter Schaltungen oder Schaltkreise (IC)
werden im allgemeinen monolithische Halbleiterausbildungen mit isoliertem Übergang
verwendet. Für den konventionellen Prozeß sind solche Vorrichtungen auf etwa 40
V als obere Betriebsgrenze limitiert. Jedoch haben die Grundvorrichtungen- oder
-bausteine im allgemeinen eine Diodendurchbruchsgrenze von mehr als 120 V, und beim
Herstellungsprozeß üblicher planarer Vorrichtungen ergibt der Ausstoß beständig
Bausteine mit solch hohen Spannungen. Viele derzeit noch nicht zur Verfügung stehende
Anwendungen von IC-Ausführungen wären verfügbar, wenn die 40 V-Grenze weiter erstreckt
werden könnte. Ein allgemeines Problem, das die IC-Spannung begrenzt, ist die Herabsetzung
der Durchbruchsspannung an einem P-N-Ubergang, die dadurch verursacht wird, daß
die Metallisierung über den Übergang hinwegreicht. Wenn eine solche Metallisierung
vorgespannt wird, kann das elektrische Feld die Durchbruchs spannung am Übergang
drastisch herabsetzen, siehe
die Veröffentlichung PHYSICS AND TEGHNOLOGY
OF SEMI-CONDUCTOR DEVICES von A. S. Grove (John Wiley and Sons, 1967). Einzelheiten
der Erscheinung sind in dem auf Seite 311 beginnenden Kapitel beschrieben. Daraus
ergibt sich, daß Vorspannungen von etwa 100 V die Diodendurchbruchs spannung in
einem weiten Bereich beeinflussen können, was schwerwiegende Folgen für die Brauchbarkeit
der integrierten Schaltung haben kann. Zur grundsätzlichen Information über IC-Vorrichtungen
und -baufcrmen wird auf die Veröffentlichung ANALOG INTEGRATED CIRCUIT DESIGN von
Alan B. Grebene (herausgegeben von Van Nostrand Reinhold Company, 1972) hingewiesen.
In dem auf Seite 3&3 beginnenden Abschnitt "High Voltage Circuits" ist der Gebrauch
der üblichen IC-Feld-Trägerplatte zur Ausführung von 100 V-Vorrichtungen beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mehrleiterschichtstruktur,
insbesondere mit zwei Schichten, auf einem IC der eingangs genannten Art zu schaffen,
die so ausgebildet ist, daß die P-N-Übergänge gegenüber einer mit hoher Spannung
beaufschlagten Metallisation at.geschirmt sind.
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Es soll ferner eine erste, niedrige Betriebsspan nung aufweisende
Leiterschicht auf einem IC geschaffen werden, die als elektrostatischer Schirm unterhalb
der hohe Spannung führenden Metallisierung wirkt, durch de anderenfalls die Durchbruchsspannung
am P-N--Übergang
beeinflußt werden könnte.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist in dem Patentanspruch 1 gekennzeichnet.
Möglichkeiten zur vcrteiGhaften weiteren Ausgestaltung der zur Rede stehenden Mehrleiterschichtstruktur
sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.
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Demgemäß ist bei einem monolithischen IC mit isoliertem P-N-Übergang
eine erste Leiterschicht vorgesehen, die so ausgebildet und angeordnet ist, daß
sie bei relativ niedriger Betriebsspannung arbeitet und mit der Herstellung planarer
Vorrichtungen vereinbar ist. Die erste Schicht besteht vorzugsweise aus polykristallinem
Silizium, das so dotiert ist, daß es leitfähig ist. Die erste Schicht ist mit einer
Isolation beschichtet und eine zweite Metallschicht, die vorzugsweise aus bei planaren
Vorrichtungen üblichem Aluminium besteht, wird über der ersten Schicht angebracht.
Die erste Schicht wird mit einer solchen Kontur gestaltet, daß sie die darunterliegenden
P-N-Übergänge bedeckt, und zwar besonders an denjenigen Stellen, an denen die P-N-Übergänge
unterhalb der hohe Spannung führenden Metallisierung liegen, welche auf die zweite
Metallschicht begrenzt ist. Ein solcher Aufbau ist in erster Linie geeignet für
hohe Spannung führende PNP-Lateraltransistoren. Sie ist aber auch anwendbar auf
hohe Spannung führende vertikale NPN-Vorrichtungen und hohe Spannung führende Widerstände.
Tatsächlich kann
jeder bei hoher Spannung zu betreibende P-N-Übergang
gegen Beeinflussung der Durchbruchsspannung durch eine darüberliegende Metallisierung
abgeschirmt werden, indem eine leitende Schirmschicht dazwischen eingefügt wird.
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Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise
näher erläutert. Es zeigen F i g. 1 eine allgemein gebräuliche Ausführungsform eines
IC bei einem PNP-Lateraltransistor, F i g. 2 einen Querschnitt des Transistors von
Fig. 1.
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F i g. 3 zeigt eine bereits bekannte Ausführungsform eines IC eines
Lateraltransistors für hohe Spannung.
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F i g. 4 zeigt einen hohe Spannung führenden IC-Lateraltransistor,
bei dem die Erfindung angewendet ist.
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F i g. 5 zeigt einen Querschnitt des Transistors nach Fig. 4.
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F i g. 6 veranschaulicht die Erfindung für den Anwendungsfall bei
einem isolierten hohe Spannung führenden IC-Lateral-PNP-Transistor.
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F i g. 7 zeigt die Anwendung der Erfindung auf einen isolierten Hochspannung
führenden vertikalen NPN-10-Transistor.
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F i g. 8 zeigt einen Querschnitt des Transistors nach Fig. 7.
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F i g. 9 veranschaulicht die Erfindung, angewendet auf einen Hochspannung
führenden IC-Widerstand.
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Die Zeichnungsfiguren sind nicht maßstabsgetreu, sondern zwecks besserer
Erläuterung ihrer Funktion maßstäblich übertrieben dargestellt. Soweit eine bestimmte
Schichtdicke von Wichtigkeit ist, wird ihre Bemessung besonders angegeben.
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Fig. 1 zeigt einen üblichen Lateraltransistoraufbau. Fig. 2 ist ein
Querschnitt des Gegenstands von Fig. 1 mit Blickrichtung auf die Schnittebene 2-2.
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Der abgebrochene Teil 10 stellt einen Teil eines Halbleiterplättchens
dar, auf dem der IC nach einem für planare bipolare Anordnungen bekannten Fertigungsverfahren
hergestellt ist. Der Teil 10 ist Silizium vom N-Typ und in üblicher Weise auf einem
Substratplättchen 11 vom P-Typ epitaxial gezogen. Normalerweise ist eine solche
Vorr chtung von einer isolierenden Diffusionszone vom P-TZp umgeben. Eine vergrabene
Schicht 12 vom N+ - Typ liegt normalerweise unterhalb des aktiven Teils der Anorclnung.
Eine rechteckige Diffusionszone 13 bildet den Kollektor eines Transistors mit einem
zentralen Iloch oder einer zentralen Wanne bei 14. Innerhalb der Vertiefung des
Kollektors befindet sich ein runder Emitter 15. Die Metallisierun 16 ist so gestaltet.
daß sie den Emitter 15 überlappt und einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleiterkörper
herstellt, wo das Loch oder die Vertiefung 17 durch die
planare
Oxidschicht 18 hindurchgeätzt ist, die sonst die Oberfläche des Halbleiters bedeckt.
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Die Metallisierung 19 bildet einen Kollektor-Elektrodenanschluß durch
die in das Oxid 18 eingeätzte Vertiefung 20. Die Diffusionszonen 13 und 15 sind
vom P-Typ und erstrecken sich etwa 3 Mikron weit in die Halbleiterstruktur; sie
werden als NPN-Transistorbasisdiffusionen bezeichnet. Die N+ - Zone 22, welche eine
typische NPN-Emitterdiffusionszone ist und eine Tiefe von etwa 2,5 Mikron hat, stellt
einen ohmschen Kontakt zu dem epitaktischen Halbleitermaterial her, das als Basis
des PNP-Lateraltransistors wirkt. Die Metallisierung 23 bildet einen chmschen Basiselektrodenanschluß
über die durch die Oxidschicht 18 geätzte Offnung 24.
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Beim Betriebe emittiert der Emitter 15 Minoritätsträger (Löcher)
in die Urrfangsbasiszone vom N-Typ, die zwischen dem Emitter 15 und der Kollektoröffnung
14 vorhanden ist. Die Minoritätsträger werden in der Offnung 14 nach ihrem Basisdurchgang
gesammelt und treten als Strom in der Metallisierung 19 in Erscheinung.
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Nach der bei Lateraltransistoren üblichen Technik wird dafür gesorgt,
daß das Emittermetall sich über die aktive Basiszone des rransistors erstreckt und
diese bedeckt.
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Es ist nun durchaus bekannt, daß dort, wo die Metallisierung auf
der Oberseite eines planaren Oxids
einen P-N-Übergang kreuzt, die
Durchbruchsspannung am Übergang verändert werden kann. Bei einem üblichen PNP-Lateraltransistor
für niedrige Spannung ist dies ohne erhebliche Bedeutung. Wenn aber der Kollektor/
Basis-Übergang bei einer hohen Gegenspannung von beispielsweise mehr als etwl 40
V betrieben werden soll, kann eine Bauweise nach den Fig. 1 und 2 Schwierigkeiten
mit sich bringen. Bei manchen IC-Ausführungen mag es erwünscht sein, einige der
Übergänge mit bis zu 120 V zu betreiben. Ein typisches Beispiel ist der Herstellertyp
LM391.
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Wenn ein Übergang mit roher Spannung ausgenutzt werden soll, ist
eine Anordnung gemäß Fig. 3 angewendet worden. Bei diesem Vorrichtungsstück wird
der Abstand zwischen Emitter 15 rnd Kollektor 13' so groß gemacht, daß das durch
den Kollektor hervorgebrachte elektrische Feld nicht durcn die Basis zone hindurchreicht
und der Kollektor 13' ist so gestaltet, daß sein Übergang nicht unter der den Emitter
bildenden Metallisierung hindurchgeht. Bei Fig. 3 könnte, wenngleich dies nicht
gezeigt ist, die den Kollektor bildende Metallisierung 19 so weit reichen, daß sie
die Kollektor-Diffusionszone 13' vollständig bedeckt. Auch könnte erwünschtenfalls
die Kont akt öffnung 20 zur Form eines Hufeisens erweitert werden, um den Kontaktwiderstand
herabzusetzen. Der PNP-Lateraltransistor nach Fig. 3 kann so ausgeführt werden,
daß er bei hohen
Kollektorspannungen arbeitet, aber die Anordnung
arbeitet so, daß das Beta der Vorrichtung oder die Basis/ Kollektor-Stromverstärkung
wesentlich erniedrigt wird.
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Während der typische Beta-Wert eines Transistors gemäß Fig. 1 bis
zu 100 betragen könnte, brauchte der Beta-Wert einer Vorrichtung gemäß Fig. 3, wenn
man diese bei mehr als 100 V arbeiten läßt, beispielsweise nur 10 beträgen. Mit
Rücksicht auf die Schaltungstechnik kann der letztgenannte Wert unannehmbar niedrig
liegen. Sollten zwei zusammenpassende derartige PNP-Vorrichtungen benötigt werden,
so verschlechtert die Ausgangsöffnung in der Kollektordiffusionszone die Passung.
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Fig. 4 zeigt einen PNP-Lateraltransistor für hohe Spannung, bei dem
die Mehrleiterschichtstruktur gemäß der Erfindung angewendet ist. Fig. 5 zeigt einen
Querschnitt von Fig. 4 mit Blickrichtung auf die Schnittebene 5-5. Für einander
ertsprechende Teile sind bei allen erwähnten Figuren dieselben Bezugszeichen benutzt.
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Das abgebrochen dargestellte Plättchen 10 ist eine epitaxiale oder
epitcktische Halbleiterschicht, die auf einem Substratplättchen 11 gezogen ist.
Der aktive Transistor ist über einer vergrabenen Schicht 12 von niedrigem Widerstand
aufgebaut.
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Eine Diffusionszone 15' vom P-Typ bildet den Emitter des Transistors
und ist vollständig umgeben von einer den Kollektor bildenden Diffusionsschicht
13
vom P-Typ ähnlich wie in Fig. 1 und 2 gezeigt. Da es sich jedoch
um eine Vorrichtung für hohe Spannung handeln soll, ist der Emitter/Kollektor-Abstand
grösser als bei Fig. 3.
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Zunächst werden öffnungen 17 und 20 in die Oxidschicht 18 eingesetzt,
und danach wird eine erste leitende Schicht 30 auf dem Halbleiterplättchen bei der
Fabrikation hergestellt. Vorzugsweise hat diese erste leitende Schicht die Form
von polykristallinem Silizium, das unter Benutzung bekannter chemischer Aufdampfverfahren
oder auf einem gleichwertigen Wege aufgebracht werden kann. Diese erste leitende
Schicht erhält eine Dicke von etwa 0,5 Mikron und wird mit Bor dotiert, um sie durch
Aussetzen einer Boratmosphäre (nachdem sie aufgebracht worden ist) leitfähig zu
machen. Wahlweise kann stattdessen die Bordotierung durch gleichzeitiges Aufdampfen
oder Aufbringen vorgenommen werden. Wenn die öffnungen 17 und 20 hergestellt sind,
stellt die erste leitende Schicht einen ohmschen Kontakt mit dem freigelegten Silizium
her. Die erste leitende Schicht wird dann auf photolithographischem Wege geätzt,
um die Elektroden 30 und 31 zu bilden, welche ohmsche Verbindungen zwischen den
Diffusionszonen des Kollektors 13 und des Emitters 15' herstellen und diese bedecken.
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Die erste leitende Schicht wird dann mit einer dielektrischen Schicht
32 bedeckt. Dies kann geschehen
indem ein Nitrid oder Oxid, dotiert
oder undotiert, aufgedampft oder sonstwie aufgebracht wird, oder es kann stattdessen
eine Oxidschicht auf dem polykristallinen Silizium gezogen werden. In diesem letzteren
Fall würde die Schicht 32 nur an der Oberfläche der Elektroden 30 und 31 vorhanden
sein. Die Schicht 32 wird zweckmäßig etwa 0,3 Mikron dick gemacht. Dann wird eine
öffnung 33 photolithographisch in die Schicht 32 direkt oberhalb des Emitterkontaktes
31 eingeätzt, um als Zugang zu dienen. Gleichzeitig wird auch eine öffnung 24 in
die Schichten 18 und 32 in Ubereinstimmung mit der Diffusionszone 22 eingeätzt,
um den Kontakt zu dieser zu erleichtern. Danach wird eine Metallisierungsschicht
in üblicher Weise, entsprechend der üblichen Planar-IC-Technik aufgebracht und photolithographisch
geätzt, um die Elektroden 23 und 35 zu bilden. Hierfür wird vorzugsweise Aluminium
verwendet, das bis zu einer Dicke von etwa 1 Mikron aufgebracht wird.
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Die Elektrode 30 kann, wie dargestellt, nach der Seite hin erstreckt
werden, so daß sie mit anderen Schaltungselementen in Kontakt gelangt. Wahlweise
kann ein (nicht dargestellter) Durchgang durch die Schicht 32 geätzt werden, so
daß ein Kontakt mit der oberen Metallisierungsschicht hergestellt werden kann, falls
dies erwünscht ist.
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Es ist zu beachten, daß die Kollektorelektrode 30 einen ohmschen
Kontakt mit der Kollektordiffusionszone 13 herstellt, und der Kollektor/Basis-Übergang
wird vollständig durch die Elektrode 30 bedeckt, wo er die Oberfläche des Halbleiters
schneidet. Somit befindet sich der zunächst gelegene Leiter, der oberhalb des Überganges
über die Oxidschicht verläuft, auf dem Kollektorpotential. Dadurch wird gewährleistet,
daß die Durchbruchsspannung am Übergang durch die Diffusionszone und den Widerstand
der Schicht 10 bestimmt wird. Wo das Metall des Emitters 35 über den Kollektorübergang
verläuft, wirkt der Leiter 30 als Abschirmung, und die Durchbruchsspannung des Kollektor/Basis-Überganges
wird nicht durch das Emitterpotential beeinflußt.
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Fig. 6 zeigt einen PNP-Lateraltransistor, der in einem isolierten
Bereich des Halbleitermaterials gebildet ist. Wo die Emitter- und Basisleitungen
des Transistors den isolierenden Übergang kreuzen, wirkt eine erste Leiterschicht
als Abschirmung für den Übergang, so daß dessen hohe Durchbruchsspannung aufrechterhalten
wird, ohne Rücksicht auf die an dem Emitter und der Basis anliegenden Spannungen.
Der abgebrochen dargestellte Teil 10 stellt das epitaxiale oder epitaktische Material
vom N-Typ einer Siliziumplättchenoberfläche dar. Die Emitterdiffusionszone 15',
die Kollektordiffusionszone 13 und die Basisanschlußdiffu-
sionszone
22 entsprechen dem, was in Verbindung mit Fig. 4 und 5 beschrieben wurde. Der Transistor
ist an seinem P-N-Übergang isoliert gegenüber anderen IC-Schaltungselementen durch
einen hochdotierten Isolationsring 40 vom P-Typ, welcher vollständig die epitaxiale
Schicht vom N-Typ durchdringt, so daß eine isolierte Wanne aus Material vom N-Typ
gebildet wird.
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Die erste Leiterschicht 30 bedeckt nicht nur die Kollektordiffusionszone
13, sie erstreckt sich vielmehr auch über den isolierenden Übergang, wo das Emitter-und
Kollektormetall an den Stellen 41 und 42 darüber verläuft. Diese Bauform ist von
Nutzen, wo die isolierte Wanne aus Material vom N-Typ bei hoher Spannung gegenüber
dem Isolationsring 40 betrieben werden soll.
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Unter solchen Bedingungen befindet sich das Basis metall 23 auf hohem
positivem Potential gegenüber dem Isolationsring. Das Basismetall 23 wird gegenüber
dem Kollektormetall 38 positiv vorgespannt, und das Emittermetall 35 liegt gewöhnlich
um einen Bruchteil von 1 V höher.
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Fig. 7 zeigt wie eine Mehrleiterschichtstruktur mit zwei Leiterschichten
auf einen üblichen vertikalen NPN-IC-Bipolartransistor aufgebracht werden kann.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt der Anordnung nach Fig. 7 mit Blickrichtung auf die
Schnittebene 8-8. Das abgebrechen dargestellte Plättchen 10 ist die übliche epitaiale
Schicht vom N-Typ auf einem Substratplättchen 11
vom P-Typ. Ein
stark dotierter Isolationsring vom P-Typ ist bei 44 gezeigt. Eine vergrabene Schicht
12 vom N-Typ liegt unterhalb des Transistoraufbaues.
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Die Basis des Transistors wird durch eine Diffusionszone 45 vom P-Typ
gebildet. In der Basis 45 ist eine stark dotierte Emitterdiffusionszone 46 vom N-Typ
gebildet. Ein Kollektorkontakt 47 aus Material vom Emittertyp stellt einen ohmschen
Kontakt zu dem epitaxialen Material vom N-Typ her. Es sind oeffnungen durch die
planare Oxidschicht 18 hindurchgeätzt, um einen Kontakt zu dem darunter liegenden
Silizium bei 48, 49 und 50 herzustellen und einen Anschluß zum Emitter bzw. zur
Basis bzw. zum Kollektor zu bilden. Eine erste Leiterschicht 51 ist vorgesehen,
um den Kontakt an den Öffnungen 49 zur Basis 50 herzustellen. Dieser Leiter liegt
oberhalb des Basis/Kollektor-Übergangs, und zwar auf seinem ganzen Umfang, und er
reicht soweit, daß der Isolationsübergang an der Zone 52 bedeckt wird, wo das Kollektormetall
darüber hinwegreicht. Der Leiter 51 ist mit einer Isolierschicht 32 überzogen, so
daß er von der zweiten Metallschicht elektrisch isoliert ist, wie oben beschrieben.
Es sind weiterhin Metallelektroden zweiter Art 53 und 54 an dem Transistor als Emitter-und
Kollektorkontakte bei 48 und 50 in üblicher Weise angebracht; sie können über den
IC hinwegreichen, um andere (nicht dargestellte) Schaltungselemente zugleich mit
der ersten Leiterschicht 51 zu kontaktieren. Da das
Kollektormetall
54 sich neben der isolierten epitaxialen Wanne vom N-Typ auf hohem positivem Potential
gegenüber dem Isolationsring 44 befindet, ist eine Abschirmung 52 dort vorgesehen,
wo das Kollektormetall über den Isolationsübergang bei 52 hinwegreicht. Der Vorsprung
der ersten Leiterschicht 51 unterhalb des Kollektormetalls 54 bildet, wie dargestellt,
diese Abschirmung.
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Fig. 9 veranschaulicht, wie die Erfindung auf einen diffundierten
IC-Widerstand angewendet werden kann. Die abgebrochene Fläche 10 entspricht der
Epitaxialschichtoberfläche vom P-Typ, in welcher ein Ionenimplantat oder eine Diffusionszone
56 hergestellt ist. Wenn ein solcher Widerstand bei hoher Spannung betrieben werden
soll, hat er einen langen schmalen Teil, der die verlängerten Enden in der bekannten
"Hundeknochen-" Bauweise verbindet. Die Endkontakte 57 und 10 erstrecken sich durch
das planare Oxid und bilden die Widerstandsanschlüsse. In dem hier dargestellten
Fall bildet der Kontakt 57 das Ende niedrigen Potentials, das in ohmschem Kontakt
zu der ersten Leiterschicht 58 steht. Die Schicht 58 bedeckt den ganzen Umfang des
Widerstandsüberganges. Eine zweite Metallschicht 59 ist begrenzt auf das Ende des
Widerstands von höchstem oder am meisten positivem Potential, das innerhalb der
Grenzen der ersten Leiterschicht 58 besteht. Der Widerstandsanschluß 60 verbindet
das Metall 59 mit dem anderen Ende des Widerstands-
elements. Wo
das Metall 59 den Widerstandsübrgang bei 61 kreuzt, wird der Übergang durch das
Metall 58 abgeschirmt. Die Widerstandsstruktur kann, wenngleich dies nicht gezeigt
ist, auch eine darüber lagernde Schicht vom N+ - Typ aufweisen, um eine Klemmzone
zu bilden, wie sie häufig bei Widerständen von hohem Wert gebraucht wird.
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